电力拖动自动控制系统课

1、2022/9/5No.1/62电气传动控制系统Electrical Drive Control System伺服系统自动化专业、电气工程专业选修课2022/9/5No.2/62第六章 伺服系统6-1 伺服系统的特征及组成本 章 小 结6-2 伺服系统控制对象的数学模型6-3 伺服系统的设计特征及组成2022/9/5No.3/62前 言伺服（Servo）意味着“伺候”和“服从”。广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作随动系统。狹义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，系统的主要任务是使输出量

2、快速而准确地复现给定量的变化。2022/9/5No.4/62概 述伺服系统的功能是使输出快速而准确地复现给定，对伺服系统具有如下的基本要求：稳定性好 伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的过渡过程后，达到新的平衡状态，或者恢复到原先的平衡状态。精度高 伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度，如精密加工的数控机床，要求很高的定位精度。动态响应快 动态响应是伺服系统重要的动态性能指标，要求系统对给定的跟随速度足够快、超调小，甚至要求无超调。抗扰动能力强 在各种扰动作用时，系统输出动态变化小，恢复时间快，振荡次数少，甚至要求无振荡。2022/9/5No.5/62伺服系统的特征必须具备高精度

3、的传感器，能准确地给出输出量的电信号。功率放大器以及控制系统都必须是可逆的。足够大的调速范围及足够强的低速带载性能。快速的响应能力和较强的抗干扰能力。2022/9/5No.6/62伺服系统的组成伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。除了位置传感器外，可能还需要电压、电流和速度传感器。图9-1 位置伺服系统结构示意图A）开环系统 b）半闭环系统 c）全闭环系统2022/9/5No.7/62伺服系统的组成旋转编码器图9-2 绝对值式编码器的码盘a) 二进制码盘 b)循环码码盘2022/9/5No.8/62伺服系统的性能指标伺服系统的实际位置与目标值之间的误差，称作系统的稳态

4、跟踪误差。由系统结构和参数决定的稳态跟踪误差可分为两类：检测误差与系统误差。伺服系统在动态调节过程中性能指标称为动态性能指标，如超调量、跟随速度及时间、调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。2022/9/5No.9/62伺服系统的性能指标图9-4 位置伺服系统的典型输入信号a）位置阶跃输入 b）速度输入 c）加速度输入2022/9/5No.10/62伺服系统的性能指标伺服系统在三种单位输入信号的作用下给定稳态误差： 2022/9/5No.11/62伺服系统的动态结构图图9-3 线性位置伺服系统一般动态结构图2022/9/5No.12/62第六章 伺服系统6-1 伺服系统的特征及组成本 章 小 结6

5、-2 伺服系统控制对象的数学模型6-3 伺服系统的设计数学模型2022/9/5No.13/62概 述根据伺服电动机的种类，伺服系统可分为直流和交流两大类。伺服系统控制对象包括伺服电动机、驱动装置和机械传动机构。2022/9/5No.14/62直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服系统的执行元件为直流伺服电动机，中、小功率的伺服系统采用直流永磁伺服电动机，当功率较大时，也可采用电励磁的直流伺服电动机。直流无刷电动机与直流电动机有相同的控制特性，也可归入直流伺服系统。2022/9/5No.15/62直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服电动机的状态方程机械传动机构的状态方程 Id：电枢电流R：包括

6、驱动器内阻的电枢回路电阻L：电枢回路电感2022/9/5No.16/62直流伺服系统控制对象的数学模型驱动装置的近似等效传递函数状态方程 2022/9/5No.17/62直流伺服系统控制对象的数学模型控制对象的数学模型 2022/9/5No.18/62直流伺服系统控制对象的数学模型图9-5 直流伺服系统控制对象结构图2022/9/5No.19/62直流伺服系统控制对象的数学模型采用电流闭环后，电流环的等效传递函数为惯性环节，故带有电流闭环控制的对象数学模型为2022/9/5No.20/62直流伺服系统控制对象的数学模型图9-6 带有电流闭环控制的对象结构图2022/9/5No.21/62交流伺

7、服系统控制对象的数学模型用交流伺服电动机作为伺服系统的执行电动机，称作交流伺服系统。常用的交流伺服电动机有三相异步电动机、永磁式同步电动机和磁阻式步进电动机等，也可用电励磁的同步伺服电动机。无论是异步电动机，还是同步电动机，经过矢量变换、磁链定向和电流闭环控制均可等效为电流控制的直流电动机。2022/9/5No.22/62交流伺服系统控制对象的数学模型异步电动机按转子磁链定向的数学模型为2022/9/5No.23/62交流伺服系统控制对象的数学模型采用电流闭环控制后，对象的数学模型为2022/9/5No.24/62交流伺服系统控制对象的数学模型CT 为包含磁链作用在内的转矩系数，电流转矩分量相

8、当于直流电动机的电枢电流，电流闭环控制的交流伺服电动机结构图与直流电动机相仿。对于同步伺服电动机也可得到相同结论，不重复论述。采用电流闭环控制后，交流伺服系统与直流伺服系统具有相同的控制对象数学模型。称作在电流闭环控制下交、直流伺服系统控制对象的统一模型。用相同的方法设计交流或直流伺服系统。 2022/9/5No.25/62第六章 伺服系统6-1 伺服系统的特征及组成本 章 小 结6-2 伺服系统控制对象的数学模型6-3 伺服系统的设计工程设计2022/9/5No.26/62概 述伺服系统的结构因系统的具体要求而异，对于闭环伺服控制系统，常用串联校正或并联校正方式进行动态性能的调整。校正装置串

9、联配置在前向通道的校正方式称为串联校正，一般把串联校正单元称作调节器，所以又称为调节器校正。若校正装置与前向通道并行，则称为并联校正；信号流向与前向通道相同时，称作前馈校正；信号流向与前向通道相反时，则称作反馈校正。2022/9/5No.27/62调节器校正及其传递函数常用的调节器有比例微分（PD）调节器、比例积分（PI）调节器以及比例积分微分（PID）调节器，设计中可根据实际伺服系统的特征进行选择。2022/9/5No.28/62PD 调节器校正在系统的前向通道上串联 PD 调节器校正装置，可以使相位超前，以抵消惯性环节和积分环节使相位滞后而产生的不良后果。PD 调节器的传递函数为2022/

10、9/5No.29/62PI 调节器校正如果系统的稳态性能满足要求，并有一定的稳定裕量，而稳态误差较大，则可以用 PI 调节器进行校正。PI 调节器的传递函数为2022/9/5No.30/62PID 调节器校正将 PD 串联校正和 PI 串联校正联合使用，构成 PID 调节器。如果合理设计则可以综合改善伺服系统的动态和静态特性。PID 串联校正装置的传递函数为2022/9/5No.31/62单环位置伺服系统对于直流伺服电动机可以采用单位置环控制方式，直接设计位置调节器 APR。为了避免在过渡过程中电流冲击过大，应采用电流截止反馈保护，或者选择允许过载倍数比较高的伺服电动机。2022/9/5No.

11、32/62单环位置伺服系统图9-7 单环位置伺服系统APR位置调节器 UPE驱动装置SM直流伺服电动机 BQ位置传感器2022/9/5No.33/62单环位置伺服系统忽略负载转矩，直流伺服系统控制对象传递函数为机电时间常数 2022/9/5No.34/62单环位置伺服系统图9-8 直流伺服系统控制对象结构图采用 PD 调节器，其传递函数为2022/9/5No.35/62单环位置伺服系统伺服系统开环传递函数 系统开环放大系数 2022/9/5No.36/62单环位置伺服系统图9-9 单位置环控制直流伺服系统结构图?2022/9/5No.37/62单环位置伺服系统用系统的开环零点消去惯性时间常数最

12、大的开环极点，以加快系统的响应过程。系统的开环传递函数2022/9/5No.38/62单环位置伺服系统伺服系统的闭环传递函数闭环传递函数的特征方程式 2022/9/5No.39/62单环位置伺服系统图9-10 单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性用 Routh 稳定判据，为保证系统稳定，须使:2022/9/5No.40/62双环位置伺服系统在电流闭环控制的基础上，设计位置调节器，构成位置伺服系统，位置调节器的输出限幅是电流的最大值。以直流伺服系统为例，对于交流伺服系统也适用，只须对伺服电动机和驱动装置应作相应的改动。2022/9/5No.41/62双环位置伺服系统图9-11 双环位置伺服系

13、统2022/9/5No.42/62双环位置伺服系统忽略负载转矩时，带有电流闭环控制对象的传递函数为为了消除负载扰动引起的静差，APR 选用 PI 调节器，其传递函数2022/9/5No.43/62双环位置伺服系统图9-12 双环位置伺服系统结构图系统的开环传递函数为系统的开环放大系数 2022/9/5No.44/62双环位置伺服系统伺服系统的闭环传递函数为特征方程式特征方程式未出现 s 的二次项，由 Routh 稳定判据可知，系统不稳定。2022/9/5No.45/62双环位置伺服系统将 APR 改用 PID 调节器，其传递函数伺服系统的开环传递函数 2022/9/5No.46/62双环位置伺

14、服系统闭环传递函数系统特征方程式2022/9/5No.47/62双环位置伺服系统由 Routh 稳定判据求得系统稳定的条件 图9-13 采用PID控制的双环控制伺服系统开环传递函数对数幅频特性2022/9/5No.48/62双环位置伺服系统若 APR 仍采用 PI 调节器，可在位置反馈的基础上，再加上微分负反馈，即转速负反馈。图9-14 带有微分负反馈的伺服系统 2022/9/5No.49/62双环位置伺服系统图9-15 带有微分负反馈的伺服系统结构图2022/9/5No.50/62三环位置伺服系统在调速系统的基础上，再设一个位置环，形成三环控制的位置伺服系统。图9-16 三环位置伺服系统AP

15、R位置调节器 ASR转速调节器 ACR电流调节器BQ光电位置传感器 DSP数字转速信号形成环节2022/9/5No.51/62三环位置伺服系统直流转速闭环控制系统按典型 II 型系统设计，开环传递函数 矢量控制系统开环传递函数两者结构相同。2022/9/5No.52/62三环位置伺服系统图9-17 直流转速环结构图图9-18 矢量控制系统结构示意图2022/9/5No.53/62三环位置伺服系统图9-19 位置环的控制对象结构图图9-20 位置闭环控制结构图 2022/9/5No.54/62三环位置伺服系统位置环控制对象的传递函数开环传递函数 2022/9/5No.55/62三环位置伺服系统给

16、定输入为阶跃时，APR 选用 P 调节器就可实现稳态无静差，则系统的开环传递函数开环放大系数 2022/9/5No.56/62三环位置伺服系统伺服系统的闭环传递函数特征方程式 2022/9/5No.57/62三环位置伺服系统用 Routh 稳定判据，可求得系统的稳定条件 2022/9/5No.58/62复合控制的伺服系统为了提高随动性能，从给定信号直接引出开环的前馈控制，和闭环的反馈控制一起，构成复合控制系统 图9-21 复合控制位置伺服系统的结构原理图2022/9/5No.59/62复合控制的伺服系统前馈控制器的传递函数选为得到 2022/9/5No.60/62复合控制的伺服系统理想的复合控制随动系统的输出量能够完全复现给定输入量，其稳态和动态的给定误差都为零。系统对给定输入实